NO833167L - Stabilisasjonsmekanisme - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører stabiliseringsmekanismer, mer særskilt, men ikke utelukkende, mekanismer for stabilisering av plattformer og lignende bærekonstruksjoner.

Kommunikasjon mellom fartøy som beveger seg (eksempelvis

skip) og satellitter kan bare skje på en effektiv måte dersom sender/mottager-antennene er stabilisert på egnet måte i rommet.

Stabilisering av antenner ombord i skip krever kompensering for stamping og rulling. Slike skipsbeveqelser kan betrak-tes som enkle, harmoniske bevegelser og kompenseres vanligvis for ved hjelp av et passivt system, eksempelvis en enkel eller sammensatt pendel, et aktivt styrt system hvor det benyttes akse-drivmotorer for korreksjon av avfølte vinkel-endringer, eller et gyroskopisk system.

Kombinasjoner av disse tre systemer kan?.også "benyttes.

Av de tre ovenfor nevnte systemer er pendelsystemet det billigste, og det har lavere vedlikeholds-omkostninger, men det kan bare gi en relativ grunnleggende stabilisering. Andre bevegelser, eksempelvis komplekse sinusformede bevegelser, eksempelvis bevegelser som fremkommer når skipsbau-gen rir på en bølge, kan medføre at pendelen svinger med en resonansfrekvens og vil trenge en betydelig tid for en innstilling.

Det er en hensikt med foreliagende oppfinnelse å tilveiebringe en stabiliseringsmekanisme som baserer seg på et pendelsystem hvor de ovenfor nevnte ulemper er vesentlig redusert.

For ordens skyld skal det her nevnes at uttrykket "flytende medium" som benyttes nedenfor, skal bety et ikke-gassformet medium som er strømningsdyktig.

Ifølge oppfinnelsen foreslås det derfor en stabiliseringsmekanisme av den type som har en pendel som kan bevege seg om et svingepunkt, med pendelmassens senter, anordnet under svingepunktet, idet stabiliseringsmekanismen kjennetegnes ved at pendelen innbefatter en bevegbar masse anordnet til ved bruk å reagere på en kompleks sinusformet bevegelse av pendelen ved å bevege seg relativt til resten av pendelen,

for derved å bevirke en effektiv forskyvning av pendelmassens senter mot svingepunktet,.slik at pendelens egensvinging endres for å bidra til å holde mekanismen stabil over et bredt virkeområde.

Fortrinnsvis er den bevegbare masse en sekundærpendel som

er montert i den første pendel og kan utføre tredimensjonale bevegelser i forhold til resten av den første pendel.

Sekundærpendelen kan være et irregulært plant legeme som

kan svinge om et punkt over sitt massesenter og er montert for rotasjon inne i et bur. Dette buret er montert for rotasjon på tvers av rotasjonsretningen til det plane legeme, slik at i stabiliseringsmekanismens statiske tilstand hviler det plane legeme med sitt massesenter under det virkelige svingepunkt, slik at ved en kompleks sinusformet bevegelse av den førstnevnte pendel vil det plane legeme rotere for derved å bevege massesenteret mot svingepunktet.

I en alternativ utførelsesform er den bevegbare masse et flytende medium (som definert ovenfor), og pendelen innbefatter flere rom som er avstandsplassert rundt svingepunktets vertikale akse. Hvert av rommene inneholder noe av det flytende medium, slik at ved bruk vil komplekse sinusformede bevegelser av pendelen, bevirke en forflytning av det flytende medium relativt rommene, for derved å tilveiebringe en effektiv forskyvning av massesenteret mot svingepunktet.

Det flytende medium kan være kvikksølv, vann, tørr sand

eller eksempelvis stålkuler.

Stabiliseringsmekanismen ifølge oppfinnelsen skal nå beskrives nærmere under henvisning til tegningene som viser utførelseseksempler og hvor

figur 1 er et delvist gjennomskåret perspektivriss av en første mekanisme ifølge oppfinnelsen,

figurene 2A og B viser respektive snitt gjennom endel av mekanismen i figur 1 under to ulike tilstander,

figurene 3 oq 4 viser henholdsvis front-og sideriss av en prototyp av en foretrukket stabiliseringsmekanisme ifølge oppfinnelsen, og

figur 5 viser et frontriss av en annen mekanisme, av den type som er vist i figurene 3 og 4, og montert for bruk ombord i et skip.

I figur 1 er det vist en mekanisme beregnet for bæring av en ikke vist plattform hvorpå en ikke vist jordbasert antenne kan monteres. Mekanismen innbefatter en fast bærer 1 som bærer en slingrebøyle 13. Slingrebøylen er ved hjelp av stag 2 og 12 festet til en pendel 11.

Pendelens virkelige svingepunkt legges således i skjæringspunktet mellom stagene 2 og 12. Pendelen 11 er utført som en hul ring som er oppdelt i et antall rom 14 ved hjelp av skillevegger 3.

Pendelen 11 må monteres slik at dens massesenter befinner seg under slingrebøylens 13 virkelige svingepunkt, for derved å hindre at den ikke viste plattform blir ustabil.

Hvert av rommene 14 er delvis fyllt med et flytende medium 15, eksempelvis vann eller kvikksølv.

Et skips stampe-og rullebevegelser er i hovedsaken enkle, harmoniske bevegelser. Pendelen 11 vil derfor utføre en i hovedsaken enkel, harmonisk kompenseringsbevegelse for stamping og rulling, og fluidet 15 vil forbli i hovedsaken stabilt i de enkelte rom 14. Denne stabile tilstand er vist i figur 2A.

I den stabile tilstanden vil det virkelige massesenter for fluidet 14 og pendelen 11 være forskjøvet vertikalt over en stabil strekning 1 under svingepunktet, fordi de respektive massesentra for fluidet 15 i hvert rom 14 er stabile.

Den hittil beskrevne mekanisme kompenserer for stamping og rulling på samme måte som en konvensjonelt pendel-stabili-seringssystem. Fordelen med den nye mekanisme er at den kan reagere på en kompleks sinusformet bevegelse av pendelen, en bevegelse som eksempelvis oppstår når et skip rir over en stor bølge.

Dersom et konvensjonelt pendelsystem utsettes for en slik bevegelse, vil systemet ha en tendens til å svinge med en resonansfrekvens( 0 som er avhengig av pendelmassen (M), tyngdekraften (g), vertikalavstanden (1) for massesenteret under svingepunktet, og treghetsmomentet (I) i bevegelses-retningen rundt svingepunktet. Forholdet mellom disse verdiene er

Ser man på figur 2b så vil man forstå at ved en hurtig akselerasjon av pendelen 11, vil fluidet 15 bevege seg i de respektive rom 14 slik at de respektive massesentra i hvert av rommene og derved det virkelige massesenteret til pendelen 11 vil bevege seg oppover i forhold til svingepunktet i slingrebøylen 13.

I den ovenfor angitte formel er

hvor k er pendelens rotasjonsradius. I en enkel pendel hvor hele massen er konsentrert i et punkt, vil k være lik 1 (hvorved formelen reduseres til CO = g/l)• Når det ikke dreier seg om en enkel pendel, kan k defineres som en karakteristisk verdi for massefordelinaen. I den type mekanisme som beskrives nedenfor har man funnet at k er to størrelsesordner større enn 1 og at en reduksjon av verdien av 1 ikke vil ha nevneverdig innflytelse på verdien av k.

Verdien av 1 reduseres derfor i den ovenfor nevnte formel, og resonansfrekvensen blir tilsvarende mindre. Mekanismen vil derfor ha en mindre tendens til avvik fra en stabil tilstand enn tilfellet vil være for en konvensjonell pendel-stabiliseringsmekanisme.

Pendelen 11 er her beskrevet som en ringformet pendel. Den kan ha en hvilken som helst annen form så lenge man bare sørger for at fluidet 15 holdes inne i rommene 14 rundt pendelen. Pendelen må ikke nødvendiavis ha en kontinuer-lig rad av rom 14 rundt svingepunktet, og kan være forsynt med et antall rom som er festet hver for seg til svingepunktet.

Innholdet i rommene 14 behøver ikke nødvendigvis være en væske. Det som kreves er at innholdet i hvert rom har tilstrekkelig masse og tilstrekkelig strømningsevne til å bevirke en forflytning av massens virkelige senter. Som fluidum 15 kan man således også anvende tørr sand eller eksempelvis glasskuler eller metallkuler.

I figurene 3 og 4 viste stabiliseringsmekanisme benyttes det en annen metode for å redusere den effektive avstanden mellom massesenteret og svinge<p>unktet. I denne utførelses- form benyttes det en sekundærpendel inne i primærpendelen.

Den viste innretnina er en prototype som er byaget opp for

å prøve:virkningen til en slik stabiliseringsmekanisme. Innretningen innbefatter en bærer 20 som er festet på en grunn<p>late 21. Bæreren 20 er ved hjelp av et lavfriksjon-rotasjonslager 22 forbundet med en U-formet bæredel 23 som i sin tur bærer selve pendelen ved hjelp av lavfriksjon-rotasjonslageret 24. Pendelen har således to frihetsgrader og dens masse kan bevege seg til et hvilket som helst punkt på en kuleflate rundt det virkelige svingepunkt. Lagerne 24 er plassert på tvers av lageret 22, og svinaepunktet ligaer i skjæringspunktet mellom senterlinjene qjennom laarene.

Selve pendelen innbefatter en vekt 25 som er plassert på

en aksel 26. Akselen 26 er ved hielp av et bærebur 27 forbundet med en aksel 28, hvorpå det er plassert en motvekt 29. Denne motvekten representerer for eksempel hvis veksten til en antenne som er montert på mekanismen. Bære-buret 27 kan bevege seq fritt i forhold til bæreren 20 som følge av oppiagrinaen i laarene 24.

For eksperimentformål kan vekten 25 og motvekten 29 beveges

i forhold til svingepunktet, selv om man i praksis vil ha en fast avstand.

Sekundærpendelen innbefatter en skive 30 hvorfra et segment ér fjernet. Denne skiven er dreibart opplagret i et bur 32 om skivens nominelle akse ved hjelp av et lager 31.

Buret 32 er i sin tur dreibart opplagret i buret 27 ved hjelp av laaeret 33. Sekundærpendelen kan således fritt bevege seg tredimensionalt i forhold til rensten av primærpendelen .

I en statisk tilstand av pendelen (eksempelvis enkle harmoniske stampe-og rullebevegelser av mekanismefundamentet uten- om pendelens resonansfrekvens) vil den første pendel, som innbefatter vekten 25, akselen 26, buret 27, akselen 28

og motvekten 29. utføre en kompenserende enkel harmonisk' bevegelse om sin akse under utnyttelse av lagrene 22 og 24. Pendelens oppførsel i forhold til jorden vil derfor i hovedsaken være stabil.

Sålenge bevegelsen av bæreren 20 og kompensasjonsbevegelsen til den første pendel er utlignet, og under forutsetninq av at frekvensen til de sinusformede svinaninger ikke ligger for tett opptil sekundærpendelens resonansfrekvens. vil skiven 30 bare påvirkes av tyngdekraften, og skiven 30 vil hvile med sitt massesenter under det virkelige svingepunkt i skjæringen mellom senterlinjene gjennom lagrene 31 og 33. Skiven 30 gir derfor et i hovedsaken fast bidrag til strekningen (1) som har avstand mellom det virkelige svingepunkt og det under dette liggende massesenter.

Dersom imidlertid en bevegelse gir en kompleks sinusformet forskyvning av bæreren 20 vil de dynamiske virkninger over-føres via den første pendel til sekundærpendelen. Buret 33 vil ha en tendens til å svinge i sine lågere 33 for å rette inn skiven 30 i retningen til den maksimale komplekse beveaelse, og skiven 30 vil dreie seg under påvirkning av de dynamiske effekter.

Skivens 30 dreiebevegelse, som kan være så kraftig at skiven beveger seg helt rundt sirkelen, som indikert med strekkpukterte linjer 30', vil medføre at skivens virkelige massesenter vil bevege seg i retning mot svingepunktet til sekundærpendelen, og derved beveges hele pendelens massesenter i retning mot primærpendelens svingepunkt.

Verdien ' 1' i den foran angitte formel reduseres derfor,

og derved endres mekanismens resonansfrekvens på samme måte som beskrevet foran, hvorved forstyrrelser av mekanismen i

forhold til dens statiske tilstand minimaliseres.

Det skal her pekes på at skjæringspunktet mellom lagrene

31 og 33 liqger over skjæringspunktet mellom lagrene 22

og 24. Imidlertid kan de respektive svinge<p>unkter for primærpendel og sekundærpendel plasseres slik at sekundærpendelens masse plasseres slik i forhold til svingepunktet at man oppnår ønskede dynamiske eaenska<p>er.

Ovenfor en skiven 30 betegnet som en skive med et segment fjernet. Man kan imidlertid benytte et hvilket som helst plant legeme som kan svinge om sitt massesenter.

Alternativt kan sekundærpendelen og dens tilhørende lager-mekanisme tilveiebringes ved at det benyttes en kule som er montert for tredimensjonal bevegelse og har en ujevn massefordeling. Som eksempel på en slik ujevn massefordeling kan nevnes en kule hvor det fjernes materiale ved hjelp av en radielt rettet utboring. En slik boring kan fylles med en kjerne av et tyngre materiale, eller kulen kan være oppbygget av to halvdeler fremstilt av ulike materialer.

Man kan altså benytte :en delkule. Alternativt vil man

kunne bruke en hul kule som er delvis fyllt med et flytende medium.

I figur 5 er stabiliserinasm^kanismen vist montert inne i

en fiberglasskonstruksjon i form av en såkalt radom 40. Stabiliseringsmekanismen er montert på en plattform 41 som kan dreie seg i horisontalplanet ved hjelp av en ikke vist motor, slik at der ved en antenne 42 som bæres av mekanismen, kan rettes inn etter behov.

Radomen 4 0 er beregnet for montering på masten ombord i et skip: og er anordnet for å beskytte mot klimapåvirkninger og for å hindre at fugler setter seg på antennen 42 og på-virker balansen i mekanismen.

For vertikal vinkelinnstilling er antennen 42 montert på

en koblingsplate 43 som i sin andre ende bærer en motvekt 44. Koblingsplaten 43 er utformet med et spor 45 hvori en ikke vist spindel er opptatt, slik at man derved.kan fore-ta en innstillinq. Vinkelretningen til antennen kan fikseres ved å stramme en vingemutter 46 på spindelenden, hvorved koblingsplaten 43 låses fast.

Resten av mekanismen er i prinsippet utført på samme måte

som i figurene 3 og 4, og det er benyttet tilsvarende hen-visningstall.

Man vil forstå at for en bestemt antenne 4 2 kan vekten 25 plasseres i en fast avstand fra svingepunktet. Det er således ikke nødvendig med noen innstillingsmulighet for vekten 25. Dette gir mulighet for reduksjon av fremstillings-omkostningene.

Dimensjonene til de enkelte komponenter i mekanismen kan varieres for tilpassing til den enkelte installasjon. Som et eksempel skal her nevnes et skip hvis typiske parametere er

Vekten 25 kan da være av stål og bestå av en dobbelt konus hvis maksimale diameter er ca. 120 millimeter. Vekten er ca. 3 kilo. Vekten 25 henges opp ca. 100 millimeter under det virkelige svingepunkt.

Skiven 30 har en vekt på ca. 1 kilo oq er utført som en skive med en diameter på 100 millimeter og er avskåret ca.

25 millimeter ifra sentrum.

Skiven 30 kan hensiktsmessig være fremstilt av stål og vil ha en tykkelse på noen og tyve millimeter.

Ved bruk av den ovenfor nevnte kombinasjon av primærpendel og sekundærpendel som en stabiliseringsmekanisme for en antenne av den type som er kjent som en "short back fire-antenna", hvilken antenne har en diameter på 260 millimeter og en dybde på ca. 250 millimeter, og med en motvekt som er slik at de kombinerte vekter av antennen 42 og motvekten 44 går opp til ca. 3,5 kilo, har man funnet at i mekanismens statiske tilstand vil avstanden mellom massesenteret og det ovenforliggende svingepunkt være om-trent 1 millimeter og at primærpendelens resonansfrekvens i den statiske tilstand er ca. 0,1 Herz. Sekundærpendelen har en resonansfrekvens på 1,3 til 1,5Hz.

Dersom en kompleks sinusformet bevegelse av bæreren 20 bevirker at skiven 30 dreier seg, vil dette medføre at massesenteret i primærpendelen løftes til en avstand 0,1 millimeter under svingepunktet, og mekanismens resonansfrekvens vil da reduseres til mindre enn 0,03Hz.

Det skal her bemerkes at den nevnte hivingsperiode vil med-føre en enkel harmonisk bevegelse som nærmer seg den "statiske" resonansfrekvens på 0,1Herz. Begynner imidlertid primærpendelen å svinge med ved denne frekvens, vil sekundærpendelen ha en tendens til å bevege seg og vil redusere mekanismens resonansfrekvens.

Som et alternativ til en passiv stabiliseringsmekanisme

kan oppfinnelsen realiseres ved å tilveiebringe følere (ikke vist) som avføler komplekse sinusformede bevegelser av pendelarrangementet og styrer en mekanisk forskyvning av massesenteret. I en realisering av en slik mekanisme kan akselen 26 være forsynt med en krage ved opphengningspunktet i buret 27, og en motor kan styres med føleren for derved å løfte akselen og vekten 25 for tilveiebringelse av den

ønskede endring i vertikalavstanden (1) for massesenteret under svingepunktet.

Et alternativt aktivt system kan utnytte et flytende medium i en beholder i stedenfor vekten 25, idet en ytter-ligere, vanligvis tom beholder da er montert i retning mot svingepunktet og et pumpearrangement styrt av føler-systemet kan overføre det flytende medium mellom de to beholderne.

I tillegg til bruk av mekanismen for stabilisering av plattformer for skip-satelittkommunikasjon, kan mekanismen benyttes for skip-skipkommunikasjon (eksempelvis når det benyttes synslinje-systemer, eksempelvis mikrobølgekommu-nikasjon) og for kommunikasjon mellom landbaserte fartøyer og satellitter.

Claims (10)

1. Stabiliseringsmekanisme av den type som har en pendel som kan bevege seg om en svingepunkt, med pendelmassens senter anordnet under svingepunktet, karakterisert ved at pendelen innbefatter en bevegbar masse anordnet til ved bruk å reagere på en kompleks sinusformet bevegelse av pendelen ved å bevege seg relativt til resten av pendelen, for derved å bevirke en effektiv forskyvning av pendelmassens senter mot svingepunktet, slik at pendelens egensvinging endres for å bidra til å holde mekanismen stabil over et bredt virkeområde .

2. Stabiliseringsmekanisme ifølge krav 1, karakterisert ved at den bevegbare masse er en sekundærpendel som er montert i den førstnevnte pendel, hvilken sekundærpendel kan utføre en tredimensjonal bevegelse i forhold til resten av den førstnevnte pendel.

3. Stabiliseringsmekanisme ifølge krav 2, karakterisert ved at sekundærpendelen innbefatter et irregulært plant legeme som kan svinge om et punkt over sitt massesenter og er montert for rotasjonsbevegelse i et bur, hvilket bur er montert for rotasjonsbevegelse på tvers av rotasjonsretningen til det plane legeme, slik at i stahiliserinasmekanismens statiske tilstand vil det plane legeme hvile med massesenteret under sitt virkelige svingepunkt, og slik at ved en kompleks sinusformet forskyvning av den første pendel, vil det plane legeme kunne dreie seg for derved å bevege massesenteret mot svingepunktet .

4. Stabiliseringsmekanisme ifølge krav 3, karakterisert ved at det irregulære plane legemet er en skive hvor et segment mangler.

5. Stabiliseringsmekanisme ifølge krav 2, karakterisert ved at sekundærpendelen innbefatter en kule hvis masse er ujevnt fordelt om rotas-ion^ se^ te^ et idet kulen er montert for en bevegelse om rotasjonssen-teret og er anordnet slik at i mekanismens statiske tilstand vil dens massesenter befinne seg under det virkelige svingepunkt. og slik at ved en kompleks sinusformet forskyvning av mekanismen vil knlen kunne dreie seg, for derved å bevege sitt massesenter i retning mot sitt svingepunkt .

6. Stabiliseringsmekanisme ifølge krav 5, karakterisert ved at den ujevne massefordeling er oppnådd ved at det fra en kule med jevn masse er fjernet materiale i form av en i hovedsaken radielt forløpende boring.

7. Stabiliseringsmekanisme ifølge krav 6, karakterisert ved at den ujevne fordeling er for-sterket ved at en materialkjerne med en annen tetthet er satt inn i boringen.

8. Stabiliseringsmekanisme ifølge krav 1, karakterisert ved at den bevegbare massen er et flytende medium <p> g at pendelen innbefatter flere rom som er avstandsplassert rundt svingepunktets vertikale akse, idet hvert av rommene inneholder noe av det flytende medium, slik at ved bruk vil komplekse sinusformede for-skyvninger av pendelen bevirke en forskyvning av det flytende medium i forhold til rommene, hvorved det skjer en forflytning av massesenteret i retning mot svingepunktet.

9. Stabiliseringsmekanisme ifølge krav 1, karakterisert ved at den bevegbare masse er en væske, og ved at føleranordninger som reagerer på pendel ens komplekse sinusformede forskyvning styrer en pumpe-anordning som er anordnet for å overføre væske mot tyngdekraftvirkningen, for derved å bevirke en massesenter-forflytning i pendelen mot svingepunktet.

10. Stabiliseringsmekanisme ifølge krav 1, karakterisert ved at den bevegbare masse er en vekt og at det foréfinnes føleranordninger som reagerer på pendelens komplekse sinusformede bevegelse og styrer me-kaniske anordninger som bevirker bevegelse av vekten mot tyngdekraftvirkningen, for derved å bevirke en forflytning av pendelens massesenter i retning mot svingepunktet.